ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE F

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Fakulta elektrotechnická Katedra měření

Inteligentní powerbanka pro magnetometry

Intelligent Power Bank for Magnetometers

Bakalářská práce

Studijní program: Kybernetika a robotika Studijní obor: Systémy a řízení

Vedoucí práce: Ing. Vojtěch Petrucha, Ph.D.

Ondřej Bureš Praha 2018

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací.

V Praze dne: __________________________

Podpis: __________________________

Poděkování

Chtěl bych poděkovat vedoucímu mé práce Ing. Vojtěchu Petruchovi, Ph.D za trpělivost a jeho rady při zpracovávání této práce. Také děkuji rodině za podporu v průběhu celého studia

Abstrakt

Cílem této práce je návrh a realizace vysokokapacitní powerbanky s Li-Ion akumulátory, která zajišťuje nabíjení včetně ochrany použitých akumulátorů s možností informování uživatele o stavu dostupné energie. Návrhem zařízení se myslí tvorba schématu, vytvoření desky plošných spojů včetně jejího osazení a napsání firmwaru pro použitý mikrokontrolér. Realizací je míněno následné oživení navrženého zařízení.

Klíčová slova

powerbanka, akumulátor, mikrokontrolér, STM32, nabíjení

Abstract

The aim of this thesis is to design and realize high capacity power bank powered by Li-Ion accumulators that provides charging including protection of those accumulators with a possibility to inform the user about available energy. Design of the facility means a creation of schematic and circuit board including its soldering and writing firmware for a used microcontroller. By realization is meant getting the device to work.

Keywords

power bank, accumulators, microcontroller, STM32, charging

6

Obsah

1 Úvod ... 10

1.1 Úvod a motivace ... 10

1.2 Komerčně dostupná řešení ... 10

1.2.1 Viking Smartech II 40 Ah ... 10

1.2.2 DOCA Powerbank 95 Ah ... 11

1.2.3 Nejvhodnější z komerčně dostupných řešení ... 11

1.2.4 Porovnání komerčního a mého zařízení ... 11

1.3 Problematika akumulátorů... 12

1.3.1 Nikl-kadmiové (Ni-Cd) a Nikl-Metal-Hydridové (NiMH) akumulátory ... 12

1.3.2 Olověné akumulátory ... 13

1.3.3 Lithium-Iontové akumulátory (Li-Ion) ... 13

1.3.4 Lithium-Polymerové akumulátory (Li-Pol)... 13

1.3.5 Použitý typ akumulátoru ... 13

2 Možnosti dálkového bezdrátového přenosu dat ... 14

2.1 GSM (Globální Systém pro Mobilní komunikaci) ... 14

2.2 Low Power Wide Area Network (LPWAN) ... 14

2.2.1 Sigfox ... 14

2.2.2 LoRaWAN ... 16

2.3 Použitý typ přenosu dat ... 16

3 Návrh a realizace první verze inteligentní powerbanky pro magnetometry ... 17

3.1 Blokové schéma ... 17

3.1.1 Návrh zařízení ... 18

3.1.2 Realizace a testování ... 18

3.1.3 Důvody návrhu druhé verze ... 20

4 Návrh druhé verze powerbanky... 21

4.1 Blokové schéma ... 21

4.2 Použité obvody ... 23

4.2.1 Nabíječka článků ... 23

4.2.2 Balancér ... 25

4.2.3 Výstupní měnič napětí ... 27

4.2.4 Interní měnič napětí ... 29

4.2.5 Řídící mikrokontrolér ... 30

4.2.6 LCD ... 34

4.2.7 IoT ... 34

4.2.8 Měření teploty ... 35

7

4.2.9 Zapínání zařízení ... 36

4.2.10 Uživatelská tlačítka ... 36

5 Návrh DPS druhé verze powerbanky ... 37

5.1 Potlačení indukčního charakteru spojových cest ... 37

5.2 Návrh spínaných regulátorů snižujících napětí ... 37

5.3 Výhody použití rozlité mědi ... 39

5.3.1 Minimalizace úbytku napětí na vedení ... 39

5.3.2 Zvýšení kapacity ... 39

5.3.3 Lepší odvod tepla ... 40

5.4 Zapojení rezistorů měřící proud ... 40

5.5 Rozložení na DPS ... 41

6 Firmware ... 42

6.1 Použité programy a knihovny k vytvoření firmwaru ... 42

6.2 Struktura kódu ... 42

6.2.1 Hlavní cyklus ... 42

6.2.2 Obsluha tlačítek ... 43

6.2.3 Timer generující frekvenci ... 43

7 Konstrukce a ovládání ... 44

7.1 Význam jednotlivých tlačítek ... 44

7.2 Význam jednotlivých LED ... 44

8 Měření parametrů ... 45

8.1 Měření parametrů výstupního napěťového regulátoru ... 45

8.2 Měření efektivity interního napěťového regulátoru ... 47

8.3 Měření parametrů nabíjecího obvodu ... 47

8.4 Ověření správného chování balancéru ... 48

8.5 Měření teploty zařízení. ... 48

9 Závěr ... 49 Přílohy ... I A Fotografie zařízení ... I B Schéma zařízení ... IV C DPS ... VIII D Obsah CD ... XII

8

Seznam obrázků

Obr. 1.1: Viking Smartech II (převzato z [2]) ... 10

Obr. 1.2: DOCA Powerbank 95 Ah (převzato z [4]) ... 11

Obr. 1.3: Graf zachycující závislost hustoty energie na hmotnosti (převzato z [7]) ... 12

Obr. 1.4: Představitelé typů akumulátorů a - Olověný akumulátor se jmenovitým napětím 12 V a kapacitou 7 Ah (převzato z [8]) b - Li-Ion akumulátor se jmenovitým napětím 3.7 V a kapacitou 3.4 Ah (převzato z [9]) c - Li-Pol akumulátor se jmenovitým napětím 3.7 V a kapacitou 4 Ah (převzato z [10]) ... 12

Obr. 2.1: Pokrytí ČR sítí Sigfox ke dni 11. 2. 2018 (převzato z [18])... 15

Obr. 2.2: Celosvětové pokrytí sítí Sigfox ke dni 11. 2. 2018 (převzato z [18]) ... 15

Obr. 2.3: LPWAN Sigfox node (převzato z [12]) ... 15

Obr. 2.4: Pokrytí sítě LoRaWan v ČR ve 3. čtvrtletí (převzato z [21]) ... 16

Obr. 2.5: LoRaWan modul (převzato z [20]) ... 16

Obr. 3.1: Blokové schéma 1. veze powerbanky ... 17

Obr. 3.2: DPS první verze intelgentní powerbanky pro magnetometry ... 18

Obr. 3.3: Ukázka komunikace BQ40Z60 s PC ... 19

Obr. 3.4: Zachycení testování DPS ... 19

Obr. 4.1: Blokové schéma nabíjení ... 22

Obr. 4.2: Blokové schéma vybíjení ... 22

Obr. 4.3: Schéma zapojení ochranných prvků ... 24

Obr. 4.4: Schéma nabíjecího obvodu ... 25

Obr. 4.5: Část schématu ukazující jeden stupeň balancéru ... 26

Obr. 4.6: Simulace jednoho stupně balancéru (Vytvořeno v programu Multisim) ... 26

Obr. 4.7: Simulace jednoho stupně balancéru (Vytvořeno v programu Multisim) ... 27

Obr. 4.8: Schéma výstupního napěťového regulátoru ... 29

Obr. 4.9: Schéma vnitřního napěťového regulátoru ... 29

Obr. 4.10: Schéma napěťového děliče... 32

Obr. 4.11: Schéma zapojení obvodu měřícího napětí článků ... 33

Obr. 4.12: Typické zapojení využívající analogově digitálního převodníku (Převzato z [32])... 33

Obr. 4.13: Schéma zapojení displeje ... 34

Obr. 4.14: Schéma zapojení konektoru pro IoT modul ... 35

Obr. 4.15: Schéma zapojení měření teploty ... 35

Obr. 4.16: Schéma zapojení zapínacího obvodu ... 36

Obr. 4.17: Schéma zapojení uživatelských tlačítek ... 36

Obr. 5.1: Možnosti připojení napájení (a – špatně, b – správně) (zelený blok značí napájení, červený blok napájený obvod) ... 37

Obr. 5.2: Část DPS zachycující návrh výstupního napěťového regulátoru ... 38

Obr. 5.3: Část schématu zachycující proudovou smyčku při dodávání energie do indukčnosti ... 38

Obr. 5.4 : Část schématu zachycující proudovou smyčku při využívání energie z indukčnosti ... 38

Obr. 5.5 : Část schématu zachycující přibližnou velikost plochy potřebnou k určení kapacity ... 40

Obr. 5.6: Návrh snímacích rezistorů na DPS. ... 40

Obr. 5.7: Rozložení jednotlivých obvodů na DPS. ... 41

Obr. 6.1: Činnost firmware powerbanky ... 43

Obr. 7.1: Plánovaný přední panel ... 44

Obr. 8.1: Schéma zapojení napěťového regulátoru při měření parametrů. ... 45

Obr. 8.2: Graf ukazující závislost efektivity na odebíraném proudu pro 4 úrovně výstupního napětí .. 45

Obr. 8.3: Graf ukazující závislost efektivity výstupního regulátoru na odebíraném proudu pro výstupní napětí 11.5 V a vstupní napětí od 12 do 16.8 V ... 46

9

Obr. 8.4: Průběh činnosti výstupního regulátoru při odebíraném proudu 2 A [Pořízeno na osciloskopu LeCroy WaveJet] (tyrkysová-frekvence regulátoru, fialová-průběh vstupního napětí, žlutá-průběh

výstupního napětí) ... 46

Obr. 8.5: Graf ukazující závislost efektivity interního regulátoru na odebíraném proudu pro vstupní napětí od 12 do 16.8 V ... 47

Obr. 8.6: Graf ukazující závislost velikosti odebíraného proudu na přiloženém napětí na jednom stupni balancéru ... 48

Obr. 8.7: Snímek ukazující nejvyšší teplotu při provozu výstupního napěťového regulátoru [Zachyceno termokamerou Testo 875-1] ... 48

Obr. A.1: Osazená deska plošných spojů zařízení (2. verze) ... I Obr. A.2: Zařízení se zobrazenými základními údaji (2. verze) ... II Obr. A.3: Význam základních údajů (2. verze) ... II Obr. A.4: Zařízení se zapnutým menu (2. verze) ... III Obr. A.5: Osazená deska plošných spojů zařízení (1. verze) ... III Obr. B.1: Celkové schéma zařízení (2. verze) ... IV Obr. B.2: Schéma nabíječky článků, na Obr. B.1 blok Charger (2. verze) ... IV Obr. B.3: Schéma spínaných napěťyových regulátorů, na Obr. B.1 blok Converters (2. verze) ... V Obr. B.4: Schéma zapojení mikrokontroléru, na Obr. B.1 blok STM32L433CCT6 (2. verze)... V Obr. B.5: Schéma spínaných napěťových regulátorů, na Obr. B.1 blok Battery pack (2. verze) ... VI Obr. B.6: Celkové schéma zařízení (1. verze) ... VII Obr. C.1: Vrstva TOP s potiskem (2. verze) ... VIII Obr. C.2: Vrstva BOT (2. verze) ... IX Obr. C.3: Vrstva TOP s potiskem (1. verze) ... X Obr. C.4: Vrstva IN1 (1. verze) ... X Obr. C.5: Vrstva IN3 (1. verze) ... XI Obr. C.6: Vrstva BOT (1. verze) ... XI

Seznam tabulek

Tab. 4.2: Seznam digitálních vstupů použitého mikrokontroléru ... 31

Tab. 4.3: Seznam digitálních výstupů použitého mikrokontroléru ... 31

Tab. 4.4: Seznam ostatních pinů použitého mikrokontroléru ... 32

Tab. 4.5: Vztah mezi snímaným napětím, rozlišením a napětím článků ... 32

Tab. 8.1: Hodnoty získané při nabíjení článků ... 47

1 - v

10

1 Úvod

1.1 Úvod a motivace

Cílem této bakalářské práce je návrh a realizace vysokokapacitní inteligentní powerbanky určené pro magnetometry a seznámení tak s dostupnými možnostmi řešení jejich výroby. Úkolem zařízení je dodávaní elektrické energie o výkonu přibližně 2 W magnetometrům určeným pro monitorování zemského magnetického pole i na místech, kde není přítomná rozvodná síť po dobu jednoho až dvou dní.

Magnetometry a jim podobná zařízení se dají napájet i z baterií či akumulátorů bez použití inteligentního prvku pro správu baterie, ale při provozu může dojít k destrukci napájecích článků nebo dokonce ke zničení napájeného zařízení. Důvodem přidání obvodu pro správu článků není jen jejich ochrana. Použití powerbanky totiž navíc přináší přehled o stavu článků, poskytuje informace o dostupné kapacitě, velikosti odebíraného proudu, teplotě a další užitečné informace.

Powerbanku lze využít pro jakákoli zařízení, jejichž vstupní napětí je 11.5, 9, 5 nebo 3.3 V s maximálním odebíraným proudem 2 A. Případně je možné využít neregulované napětí z akumulátorů od 12 do 16.8 V.

1.2 Komerčně dostupná řešení

Na trhu je v dnešní době mnoho dostupných modelů powerbank. Předtím, než jsem začal s návrhem powerbanky, jsem prozkoumal možnosti, které trh nabízí. Jsou zde uvedeny dvě powerbanky, jejichž výstupní napětí může být nastaveno na hodnotu přibližně 12 V a jsou schopny dodat proud alespoň 2 A.

1.2.1 Viking Smartech II 40 Ah

Tato powerbanka, kterou lze vidět na Obr. 1.1, disponuje šesti úrovněmi výstupního napětí s maximálním odebíraným proudem až 4.7 A. Úroveň dostupné kapacity z 40 Ah zobrazuje pomocí LED displeje. Nepodporuje dálkový přenos informace o stavu nabití a ani není vhodná k použití v kritičtějších podnebních podmínkách, jako je například déšť [1].

Obr. 1.1: Viking Smartech II (převzato z [2])

1 - v

11

1.2.2 DOCA Powerbank 95 Ah

Oproti předchozí powerbance, jejíž pořizovací cena je 4000 Kč, tato stojí 9000 Kč. Lze ji vidět na Obr. 1.2. Tento model disponuje kapacitou 95 Ah s několika úrovněmi výstupního napětí a je možné jej použít jako zdroj síťového napětí či svítilnu.I když je tento model určen k použití pro kempování, nemá voděodolný kryt, a proto také není vhodný pro použití za deště či vlhka. Navíc ani tento model nepodporuje funkci dálkového přenosu dat [3].

Obr. 1.2: DOCA Powerbank 95 Ah (převzato z [4])

1.2.3 Nejvhodnější z komerčně dostupných řešení

Nejlepšími parametry z dostupných powerbank disponuje powerbanka od firmy DOCA. Tento model ale nabízí několik funkcí, které pro napájení magnetometrů nejsou potřeba, a je zbytečné za ně platit.

Navíc, jak je uvedeno výše, ani jedna z powerbank nepodporuje dálkový přenos dat a není vhodná k použití za deště či vlhka.

1.2.4 Porovnání komerčního a mého zařízení

Moje powerbanka by oproti zmíněným měla být použitelná v terénu, což mimo jiné znamená, že by její finální verze měla odolat vlhku či dešti. Dále je plánovaná podpora dálkového přenosu informace, díky kterému lze zajistit včasné nabití powerbanky. Po průzkumu trhu bylo tedy rozhodnuto, že žádná z dostupných powerbank není pro napájení magnetometrů vhodná. Z tohoto důvodu budu pokračovat v návrhu inteligentní powerbanky pro magnetometry a následné realizaci.

1 - v

12

1.3 Problematika akumulátorů

V powerbankách bývá uložena energie pomocí galvanických článků. Galvanický článek je tvořen ze dvou elektrod umístěných v elektrolytu. Po jejich umístění do určité chemické látky můžeme naměřit na těchto elektrodách elektrické napětí, které se liší v závislosti na použitých elektrodách a elektrolytu.

Napětí, které můžeme očekávat, lze zjistit s pomocí Beketovy řady napětí kovů [5].

V powerbance se zpravidla používají akumulátory, tedy sekundární články a nikoli primární články.

Akumulátoru, na rozdíl od primárního článku, lze energii, po jejím spotřebování, znovu dodat. V dnešní době je 5 druhů akumulátorů, o kterých má smysl uvažovat pro použití v powerbance.

1.3.1 Nikl-kadmiové (Ni-Cd) a Nikl-Metal-Hydridové (NiMH) akumulátory

Tyto články mají oproti ostatním výhodu v jednoduchém nabíjení. Lze jej realizovat zdrojem konstantního proudu, který se při detekci nabití vypne [6]. Tento typ se ale v dnešní době používá čím dál méně. Je to hlavně z toho důvodu, že mají oproti ostatním typům nízkou hustotu energie, jak je patrné z Obr. 1.3. Navíc oba tyto články trpí paměťovým efektem, a k použití v powerbance tedy není ani jeden z těchto dvou typů vhodný.

Obr. 1.3: Graf zachycující závislost hustoty energie na hmotnosti (převzato z [7])

Obr. 1.4: Představitelé typů akumulátorů

a - Olověný akumulátor se jmenovitým napětím 12 V a kapacitou 7 Ah (převzato z [8]) b - Li-Ion akumulátor se jmenovitým napětím 3.7 V a kapacitou 3.4 Ah (převzato z [9]) c - Li-Pol akumulátor se jmenovitým napětím 3.7 V a kapacitou 4 Ah (převzato z [10])

1 - v

13

1.3.2 Olověné akumulátory

Olověné akumulátory nemají vysokou hustotu energie, ale cenově jsou velmi přijatelné v poměru s dostupnou kapacitou [11], a proto jsou velmi používaným typem. Tyto akumulátory však nejsou určené k častému nabíjení a vybíjení, což je pro použití v powerbance poměrně nepříjemné. Pro názornost je na Obr. 1.4.a uveden představitel tohoto typu, se jmenovitým napětím 12 V a kapacitou 7 Ah.

1.3.3 Lithium-Iontové akumulátory (Li-Ion)

Tyto články mají oproti předchozím daleko vyšší energetickou hustotu, což mimo jiné znamená, že při potřebě navýšení kapacity nedojde k příliš velké změně rozměrů. Navíc mají poměrně vysoké nominální napětí 3.7 V a nízké samovybíjení. Představitelem tohoto typu jsou válcové akumulátory o průměru 18 mm a výšce 65 mm (Obr. 1.4.b). Díky těmto rozměrům jsou označovány číslem 18650. Nevýhodou akumulátoru je neustálá potřeba kontroly hodnoty napětí, aby nedošlo k hlubokému vybití nebo naopak k přebití. Také je žádoucí měřit jejich teplotu, jelikož vysoká teplota může vést k devastačním jevům.

Lze tedy tedy vyvodit, že jejich nabíjení a kontrola je složitá, alespoň oproti předchozím typům.

1.3.4 Lithium-Polymerové akumulátory (Li-Pol)

Tento typ akumulátorů je velmi podobný Lithium-Iontovým. Vyrábí se v několika různých rozměrech a díky tomu své využití často nachází tam, kde je třeba přidat akumulátor konkrétních rozměrů.

Používají se například v mobilních telefonech, tabletech či modelářských zařízeních. Na Obr. 1.4.c je zobrazen jeden článek se jmenovitým napětím 3.7 V a kapacitou 4 Ah. Akumulátory tohoto typu nebývají příliš odolné. Trpí více na mechanické poškození než zmíněné akumulátory 18650 a jsou tedy méně bezpečné.

1.3.5 Použitý typ akumulátoru

Po zvážení možností byl vybrán Li-Ion akumulátor 18650. S tímto řešením, lze nastavit cenově přijatelně a snadno libovolnou kapacitu podle počtu článků. Pro kapacitu 6.8 Ah při jmenovitém napětí 14.8 V bylo vybráno 8 článků s kapacitou 3400 mAh [9] v zapojení 4S2P, tedy 4 v sérii a 2 paralelně.

Energetická kapacita článků s uvažovanou hodnotou jmenovitého napětí je 100.6 Wh, což umožňuje dodávání elektrické energie o výkonu 2 W magnetometrům po dobu 2 dní.

2 - ž v v

14

2 Možnosti dálkového bezdrátového přenosu dat

Dálkový přenos je možné realizovat několika způsoby. V dnešní době je velmi rozšířen pojem Internet věcí nazývaný IoT¹. IoT je označení pro síť chytrých přístrojů, které lze snadno monitorovat či ovládat pomocí internetové sítě. Zařízení je možné připojit k internetu několika způsoby. V domácnosti to bývá pomocí WLAN ²a v terénu je optimální využít nízkopříkonové technologie LPWAN (Low Power Wide Area Network). Internet věcí však zahrnuje i jiné sítě, například síť GSM (Globální Systém pro Mobilní komunikaci) [12].

2.1 GSM (Globální Systém pro Mobilní komunikaci)

GSM spadá do kategorie sítí druhé generace (2G), která oproti první přenáší informace digitálně. Dnes se používá pro mobilní komunikaci a v průmyslové elektronice. Výhodou tohoto řešení je vysoké pokrytí. Protože tento způsob komunikace podporují téměř všechny mobilní telefony a využívá ji i mnoho průmyslových zařízení, která data přenáší jen po této síti, je nepravděpodobné její zrušení. [13]

Pro tuto variantu existuje několik desítek funkčních zapojení, která lze jednoduše realizovat. Mezi představitele zprostředkování této komunikace patří firma SIMCom, jejíž moduly lze použít ve spojení s mikrokontrolérem jako je i STM32. K takovéto komunikaci lze využít moduly řady sim800, konkrétně sim800h s cenou přibližně 230 Kč [14]. Nevýhodou této technologie je energetická náročnost.

Například odběr modulu sim800h dosahuje při vysílání ve špičce až 2 A [15].

2.2 Low Power Wide Area Network (LPWAN)

V České republice jsou nejznámějšími představiteli této technologie Sigfox a LoRaWAN³.

2.2.1 Sigfox

Sigfox je technologie, kterou v ČR propagují firmy SimpleCell a T-Mobile. Využívá 200 kHz z veřejně dostupného bezlicenčního pásma (Pro Českou Republiku na frekvenci 868 MHz), ve kterém využívá k přenosu dat Ultra Narrow Band (ultra úzkého pásma) a DBPSK⁴ modulace. Při přenosu dat zabere zpráva 100 Hz z použitého pásma a je přenášena rychlostí 100 nebo 600 bitů za sekundu [16].

Jak je ukázáno na Obr. 2.1, Sigfox pokrývá již 94 % území ČR a pokrytí stále roste. Obr. 2.2 navíc ukazuje, že by neměl být problém zařízení použít například i v Německu či na Slovensku.

Existuje několik modulů umožňujících využití této technologie. Jako nejdostupnější byl vybrán modul LPWAN Sigfox Node UART modem, který je zobrazen na Obr. 2.3. Lze jej koupit přibližně za 300 Kč i s předplaceným jedním rokem provozu. Je možné ho napájet napětím 1.8 V až 3.6 V. Jeho odběr je při odesílání maximálně 65 mA a při příjmu 15 mA. V režimu spánku je odběr okolo 2 µA [17].

Nevýhodou použití této technologie je omezení v odeslání pouze 144 zpráv o velikosti 0 až 12 bytů a v přijmutí jen 4 osmibytových zpráv denně. Jelikož je primární určení technologie Sigfox posílat data za nízkou cenu a s minimální spotřebou energie, je Sigfox i vzhledem k jeho pokrytí vhodným kandidátem k použití v inteligentní powerbance.

1 Internet of Things

2 Wireless Local Area Network

3 Long Range Wide Area Network

4 Differential Binary Phase Shift Keying

2 - ž v v dat

15

Obr. 2.1: Pokrytí ČR sítí Sigfox ke dni 11. 2. 2018 (převzato z [18])

Obr. 2.2: Celosvětové pokrytí sítí Sigfox ke dni 11. 2. 2018 (převzato z [18])

Obr. 2.3: LPWAN Sigfox node (převzato z [12])

2 - ž v v

16

2.2.2 LoRaWAN

LoRaWAN je technologie, kterou v ČR propaguje CRA ⁵. Stejně jako Sigfox, je i toto nízkopříkonová technologie, která se využívá i v ostatních zemích světa. Její pokrytí v ČR je zachyceno na Obr. 2.4.

K přenosu dat využívá LoRaWAN LoRa modulace, která je odvozená z modulace s rozprostřeným spektrem (Chirp Spread Spectrum). Oproti předchozí technologii využívá širšího přenosového pásma, typicky 125 kHz, 250 kHz či 500kHz a Nabízí rychlost od 300 bit/s do 50 000 bit/s [19].

Pomocí této technologie lze posílat zprávy častěji a s příjmem není problém jako u Sigfox technologie.

LoRa má však menší pokrytí než Sigfox, alespoň v ČR. Modul zobrazený na Obr. 2.5, který lze využít i v ČR, je možné pořídit za cenu okolo 500 Kč [20]. S tímto modulem lze komunikovat s pomocí sériové sběrnice SPI⁶.

Obr. 2.4: Pokrytí sítě LoRaWan v ČR ve 3. čtvrtletí (převzato z [21])

Obr. 2.5: LoRaWan modul (převzato z [20])

2.3 Použitý typ přenosu dat

Obě tyto technologie jsou vhodné z důvodu nízké energetické náročnosti a vysokého pokrytí území ČR, zdají se tedy být vhodné pro mé zařízení. Z důvodu velmi jednoduché implementace, velkého pokrytí území ČR a malé energetické náročnosti bylo rozhodnuto, že zařízení bude připravené na komunikaci prostřednictvím modulu IoT s využitím technologie Sigfox. Jelikož tento modul komunikuje prostřednictvím UART⁷, je možné místo něj využít jakéhokoli jiného modulu schopného komunikovat přes UART.

5 České Radiokomunikace a.s.

6 Serial Peripheral Interface

7 Universal Asynchronous Receiver / Transmitter

3 - v v v

17

3 Návrh a realizace první verze inteligentní powerbanky pro magnetometry

V této kapitole je popsán návrh schématu, desky plošných spojů a následná realizace první verze inteligentní powerbanky pro magnetometry. Byl zde použit integrovaný obvod BQ40Z60 [22] od firmy Texas Instruments, který umožňuje správu baterie včetně nabíjení 2 až 4 v sérii zapojených Lithium- Iontových či Lithium-Polymerových akumulátorů a jejich ochranu.

3.1 Blokové schéma

Na Obr. 3.1. je uvedeno blokové schéma vysvětlující zapojení jednotlivých obvodů. Tato podkapitola vysvětluje, jak mělo zařízení podle návrhu fungovat.

Obr. 3.1: Blokové schéma 1. veze powerbanky

Přestože nabíjení i správu baterie spolu s jejich ochranou zajišťuje jeden obvod, je pro jasnější porozumění tento obvod rozložen v blokovém schématu do dvou částí. Jednou částí je nabíječka článků, jejíž funkci zajišťuje obvod regulováním stavu externě připojených MOSFET⁸ tranzistorů v závislosti na výstupním napětí a proudu. Další částí je monitorování stavu baterie včetně balancéru a ochrany článků. Pokud se liší napětí na článcích, je zajištěno aktivování balancéru a napětí na článcích se vyrovná. V případě, že je detekován nebezpečný stav, například vysoká teplota, napětí či proud, pak ochranný obvod přepálí pojistku SFH-1412B [23], čímž dojde k rozpojení obvodu. Výrobce v datasheetu k BQ40Z60 také doporučuje sekundární ochranný obvod, který byl pro větší bezpečnost při návrhu zapojení do schématu také přidán.

Informace o stavu baterie je možné od integrovaného obvodu získat využitím sběrnice SMBus⁹. Ke komunikaci bylo plánováno využit mikrokontrolér STM32, konkrétně modul NUCLEO- STM32L432KC. Úkolem mikrokontroléru je zobrazení přijatých dat na nízkopříkonový displej, případně jejich odeslání pomocí technologie Sigfox a podle nastavení přepínat úroveň výstupního napětí. Pro napájení modulu byl zvolen stabilizátor napětí na 5 V.

8 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

9 System Management Bus

3 - v v v

18

3.1.1 Návrh zařízení

Schéma zařízení i desky plošných spojů (DPS) byly navrženy s využitím EDA¹⁰ open source programu KiCad. Při návrhu zapojení obvodu BQ40Z60 a jeho periférií jsem se inspiroval zapojením vývojového kitu BQ40Z60EVM [24]. Do schématu byl přidán výstupní napěťový regulátor LMR14020-Q1, o kterém blíže pojednává kapitola 4.2.3 a konektory připravené pro komunikaci s displejem a mikrokontrolérem STM32.

Po dokončení schématu následoval návrh DPS (Desky Plošných Spojů). Z důvodu vysokých nároků obvodu BQ40Z60 na návrh DPS bylo třeba využít 4 vrstev. Čtyři vrstvy při návrhu napomohly minimalizaci proudových smyček a zvýšily tak odolnost vůči elektromagnetickému rušení. Z důvodů snížení nákladů na výrobu bylo rozhodnuto, že Nucleo spolu s LCD, tlačítky a případným modulem pro internet věcí budou na samostatné desce.

3.1.2 Realizace a testování

Některé součástky, jako například BQ40Z60, bylo třeba zapájet horkovzdušnou pistolí, protože se nacházely jejich vývody i na spodní straně součástky. Ostatní součástky byly zapájeny pomocí mikropáječky s tepelnou regulací, pájky a tavidla. Osazená deska plošných spojů s popisem rozmístění jednotlivých částí obvodů je znázorněna na Obr. 3.2.

Obr. 3.2: DPS první verze intelgentní powerbanky pro magnetometry

Po osazení DPS bylo potřeba otestovat její funkčnost. Mimo jiné k tomu bylo potřeba propojovacího prvku EV2300 [25] a programu bqStudio (Texas Instruments), díky kterým bylo možné navázat komunikaci mezi DPS a PC.

Na Obr. 3.3 jsou uvedeny používané registry integrovaného obvodu BQ40Z60 a ukázán tak i průběh testování. Každý registr se skládá z 8 bitů, které jsou označeny zelenou nebo červenou barvou. Zelená barva značí úroveň logické 0, červená logickou 1. Testování probíhalo nastavením příslušných registrů do určité úrovně a následným určení správnosti stavu zařízení.

K ověřování správnosti funkce jsem použil laboratorní zdroj, multimetr, osciloskop a Lithium-Iontové články, které mi pro tyto účely poskytla společnost AVACOM s.r.o. V průběhu testování jsem narazil na několik nepříjemných záležitostí, které jsem po konzultaci s týmem Texas Instruments a vedoucím

10 Electronic design automation

3 - v v v etry

19

mé práce téměř vždy vyřešil. Většinou se problémy týkaly špatného porozumění velmi rozsáhlé technické dokumentaci k obvodu BQ40Z60. S potížemi nefunkčnosti nabíjení článků jsem se však nevypořádal ani po několika dnech studování technické dokumentace a konzultaci s odborníky z Texas Instruments [26].

Obr. 3.3: Ukázka komunikace BQ40Z60 s PC

Obr. 3.4: Zachycení testování DPS

3 - v v v

20

3.1.3 Důvody návrhu druhé verze

O zprovoznění funkce nabíjení článků jsem se bezúspěšně pokoušel několik dní. Během testování byly zničeny 3 integrované obvody BQ40Z60 a důvod jejich destrukce nebyl jasný. Po proměření bylo zjištěno, že při zapnutí nabíjecího procesu dochází k nevratnému zkratování pinu integrovaného obvodu BQ40Z60 zodpovědného za řízení výkonového tranzistoru se zemí. Technická podpora z Texas Instruments mezi tím na problém s nabíjením odpověděla, že vzhledem k integraci několika funkcí včetně napěťového regulátoru, je obvod velmi citlivý na správnost návrhu desky plošných spojů a doporučují zvážit použití jiného obvodu. Doporučili mi však, že mohu vyzkoušet aktualizovat zařízení EV2300 na novější verzi. Bohužel by k aktualizaci bylo potřeba dalšího takového zařízení, a navíc by to problém s největší pravděpodobností nevyřešilo.

Kvůli poměrně nepřehledné dokumentaci (rozčlenění potřebných informací do několika souborů) a nejasnosti, proč dochází k destrukci integrovaného obvodu BQ40Z60, bylo rozhodnuto, že navrhnu zařízení jinak, s využitím méně složitých prvků. I když se tedy může zdát využití integrovaného obvodu umožňujícího několik funkcí zároveň výhodné, ukázalo se, že tomu tak vždy není.

4 - v v

21

4 Návrh druhé verze powerbanky

Při návrhu druhé verze powerbanky byl kladen důraz na separaci jednotlivých obvodů. Řídící obvod je tedy oddělen od výkonového nabíjecího obvodu i od balancéru článků, což navíc zpřehlednilo návrh.

Stejně jako první verze, byla i tato navržena s využitím programu KiCad.

Dále je v této kapitole popsáno schéma a vysvětleno, jak jsem při návrhu postupoval od výběru daných komponent až po jejich zapojení.

4.1 Blokové schéma

Pro představu, jak má zařízení fungovat je na Obr. 4.1 a Obr. 4.2 uvedeno zjednodušené blokové schéma, jehož jednotlivé části jsou podrobněji popsány dále v kapitole. Důvodem přítomnosti dvou blokových schémat je, že na výstup je možné dodávat energii dvěma způsoby. Červenou barvou je na nich naznačen směr tekoucího proudu, modrou barvou je označeno měření daných veličin a zelenou barvou jsou zvýrazněny prvky, které je možné ovládat pomocí mikrokontroléru.

Jedním ze způsobů, jak dodávat energii na výstup, je pomocí adaptéru. To je zachyceno na Obr. 4.1. Jak z něj lze vypozorovat, při nabíjení teče proud z připojeného adaptéru do nabíječky a pomocí balancéru nabíjí články. Adaptér také dodává energii regulátorům a jak je naznačeno Schottkyho diodou, v tomto režimu není možné odebírat energii z použitých článků, ale pouze z adaptéru.

Pokud je adaptér odpojen a zařízení zapnuté, mluvíme o druhém způsobu dodávání energie na výstup, který je zachycen na Obr. 4.2. I zde je červenou barvou zvýrazněn tok energie. Jak si lze všimnout, při využívání energie z akumulátorů se balancér nevyužívá. Důvodem je úspora energie.

V obou případech je možné využít regulovaného či neregulovaného výstupu k připojení zátěže. Stav baterie je přitom monitorován mikrokontrolérem STM32L433CCT6, který by v případě potřeby rozpojil naznačený spínač a rozpojil tak obvod. Mikrokontrolér navíc prostřednictvím tlačítek a displeje zajišťuje komunikaci s okolním světem a lze s jeho pomocí nastavit výstupní napětí či zobrazit různé veličiny.

4 - v v

22

Obr. 4.1: Blokové schéma nabíjení

Obr. 4.2: Blokové schéma vybíjení

Display Regulovaný

výstup V

V V V

A

V V A

V

Výstupní napě ový regulátor napětí V V V V

proud A

i Ion články v sérii ( V V)

R

Neregulovaný výstup A

Napě ové regulátory

Teplota balancéru V

V

Balancér

Teplota článků

SENSE

Nabíječka článků

STM

Měření napětí Měření proudu

Měření teploty komunikace Ovládání

přísunu energie

Obsluha napě ového

regulátoru Adaptér

Tlačítka IoT V

V

Interní napě ový regulátor napětí V proud mA

V V

Display Regulovaný

výstup V

V V V

A

V V A

V

Výstupní napě ový regulátor napětí V V V V

proud A

i Ion články v sérii ( V V)

R

Neregulovaný výstup A

V V

Napě ové regulátory

Teplota balancéru Balancér

Teplota článků

SENSE

Nabíječka článků

STM

Měření napětí Měření proudu

Měření teploty komunikace Ovládání

přísunu energie

Obsluha napě ového

regulátoru Adaptér

Tlačítka IoT Interní napě ový regulátor

napětí V proud mA V

V

4 - v v

23

4.2 Použité obvody

Předmětem této podkapitoly je popis jednotlivých obvodů a vysvětlení postupu při určování okolních součástek a jejich implementaci. Označení, které odkazuje na součástku ve schématu, je možné poznat podle toho, že neobsahuje žádný index.

4.2.1 Nabíječka článků

Po zvážení různých dostupných integrovaných obvodů byl vybrán integrovaný obvod LTC4009. Jedná se o spínaný regulátor napětí, který pracuje na frekvenci 550 kHz. Pro použití v mém zařízení byly s pomocí datasheetu [27] vybrány a spočteny hodnoty okolních součástek. Část schématu zapojení je uvedena na Obr. 4.4.

Pro limitování proudu z adaptéru je podle vztahu 4.1 určena hodnota rezistoru R76 𝑅76 =𝑈_𝑅76

𝐼_𝑅76 =100 𝑚𝑉

3 𝐴 = 0.033 Ω, 4.1

kde 100 mV je maximální hodnota snímaného napětí a 3 A nastavený proud, který lze z adaptéru odebírat. Nabíjecí proud je nastaven na 2 A. Při použití několika Li-Ion článků spojených paralelně, bude nabíjení trvat sice déle, ale při použití pouze dvou paralelně zapojených akumulátorů by mohl být větší proud bateriím „smrtelným“. Z tohoto důvodu je nastaven podle vztahu 4.2 a 4.3 nabíjecí proud na 2 A.

𝑅78 =𝑈_𝑅78

𝐼_𝑅78 =100 𝑚𝑉

2 𝐴 = 0.05 Ω 4.2

𝐼_{𝐶𝐻𝑅𝐺}=𝑅74

𝑅78(1.2085 𝑉

𝑅74 − 11.67 𝜇𝐴)

=3.01 𝑘Ω

0.05 Ω (1.2085 𝑉

26.7 𝑘Ω − 11.67 𝜇𝐴) ≐ 2 𝐴

4.3

Protože je potřeba hluboce vybité baterie nabíjet nejprve nízkým proudem byl přidán rezistor R69.

Hodnota nabíjecího proudu s využitím rezistoru R69 je ukázána v rovnici 4.4.

𝐼_{𝐶𝐻𝑅𝐺} =𝑅74

𝑅78( 1.2085 𝑉

𝑅68 + 𝑅69− 11.67 𝜇𝐴)

=3.01 𝑘Ω

0.05 Ω ( 1.2085 𝑉

26.7 𝑘Ω + 53.6 𝑘Ω− 11.67 𝜇𝐴) ≐ 0.203 𝐴.

4.4

Aby bylo možné využívat nabíjecího proudu 2 A i 200 mA, byl do obvodu přidán tranzistor Q18, s jehož pomocí lze mezi režimy přepínat. Cívka potřebná ke správné funkci napěťového regulátoru byla s pomocí datasheetu zvolena s indukčností 22 µH. Pro nastavení výstupního napětí nabíječky na 16.8 V jsou hodnoty rezistorů 𝑅72 = 271 𝑘Ω a 𝑅73 = 21 𝑘Ω. Pro zlepšení stability a odezvy přechodového jevu je k rezistoru připojen kondenzátor 𝐶42 = 10 𝑝𝐹.

Další využitou funkcí nabíjecího obvodu je ochrana proti vyššímu vstupnímu napětí, a to pomocí rezistorů 𝑅65 a 𝑅66. Pokud je na pinu integrovaného obvodu LTC4009 DCDIV napětí 1.825 V, obvod detekuje vysoké napětí a přestane nabíjet články. Hodnoty rezistorů jsou 𝑅65 = 16 𝑘Ω a 𝑅66 = 1.3 𝑘Ω.

Podle vztahu 4.5 bylo nastaveno maximální vstupní napětí, které lze využít k nabíjení článků na 24.3 V.

4 - v v

24 𝑈_{𝐼𝑁 𝑀𝐴𝑋}= 𝑈_𝑂𝑉𝑃

𝑅66 𝑅66 + 𝑅65

= 1.825 𝑉 1.3 𝑘Ω 16 𝑘Ω + 1.3 𝑘Ω

= 24.3 V. 4.5

Jelikož se v režimu napájení z adaptéru energie nevyužívá jen pro nabíjení akumulátorů, ale i pro napájení ostatních částí zařízení, je potřeba zabránit propagaci vyššího než povoleného napětí dále do obvodu. Ochranu proti vysokému napětí tedy navíc zajištuje transil D3 spolu s varistorem RV1. Jejich zapojení je uvedeno na Obr. 4.3.

Transil zabraňuje propagaci vysokého napětí dále do obvodu tím, že jím při překročení 20 V začne protékat proud. Čím větší napětí na něm je, tím větší proud jím protéká. Díky tomu „zahladí“ napěťové špičky a zabrání tak nečekanému chování či destrukci zařízení. Navíc, pokud se k zařízení připojí adaptér s větším výstupním napětím, než je povolené, dojde vlivem nárůstu protékajícího proudu transilem k rozpojení pojistky F1. Aby nebyla změna proudu příliš rychlá, je v obvodu přítomna cívka L6 s indukčností 10 µH.

Pokud by však bylo vstupní napětí příliš vysoké a překročilo by hodnotu 27.7 V, mohlo by v případě přítomnosti „tvrdého“ zdroje dojít ke zničení transilu. Z tohoto důvodu je před transilem přítomen varistor RV1. Varistor se chová velmi podobně jako transil, ale odolá většímu proudu. Nemá však Voltampérovou charakteristiku tak „ostrou“ jako transil, je žádoucí přítomnost obou těchto součástek.

Ochrana proti přepólování zajišťuje tranzistor Q23. V případě, že bude vstupní napájení opačné polarity, zůstane tranzistor zavřený a zařízení tak bude ochráněno.

Obr. 4.3: Schéma zapojení ochranných prvků

4 - v v

25

Obr. 4.4: Schéma nabíjecího obvodu

4.2.2 Balancér

Použitý obvod vychází z článku publikovaného v časopise Praktická elektronika z 12. čísla roku 2017.

Originální schéma bylo lehce upraveno a část použitého zapojení je uvedena na Obr. 4.5. Jsou přidány optočleny, aby byl balancér zapnutý jen v přítomnosti nabíječky. Protože je žádoucí, aby byl navržený obvod co nejméně ovlivňován, bylo třeba volit takové optočleny, které co nejméně ovlivňují správnou funkci. K takovému účelu je vhodný například optočlen VO1400AEF [28], jejichž spínací část má v sepnutém stavu rezistenci okolo 2.7 Ω.

Část optočlenu s LED je napájena z adaptéru napětím 18 V - 20 V. Pro dostatečné otevření tranzistorů byl zvolen proud 15 mA, který podle vztahu 4.6 zajišťuje rezistor 𝑅54 = 1300 Ω.

𝑅54 =𝑈𝑛𝑎𝑝á𝑗𝑒𝑛í− 𝑈ú𝑏𝑦𝑡𝑒𝑘 𝑛𝑎 𝐿𝐸𝐷

𝐼_{𝑝𝑜ž𝑎𝑑𝑜𝑣𝑎𝑛ý} =20 𝑉 − 4 · 1.2 𝑉

0.015 𝑚𝐴 = 1013 Ω 4.6 Pro případ, že by výkonovým tranzistorem protékal příliš velký proud, je u každého z nich pojistka, která v případě překročení proudu 5 A obvod rozpojí.

Tranzistor Q9 je zde pro spínání LED, aby bylo možné zjistit, zda balancér pracuje.

4 - v v

26

Obr. 4.5: Část schématu ukazující jeden stupeň balancéru

Velmi podstatnou součástkou je zde napěťová reference TL431. V tomto zapojení funguje tak, že při dosažení napětí 2.495 V na referenčním pinu dojde k otevření naznačené Zenerovy diody. Toto referenční napětí je pomocí rezistorů R34 a R35 nastaveno tak, aby se Zenerova dioda dostatečně otevřela při nárůstu napětí na článcích nad hodnotu 4.2 V. Jak je vidět na simulaci na Obr. 4.6, tak v případě napětí menšího, než je 4.2 V je na bázích tranzistorů označených Q4 a Q1 stejné napětí jako na jejich emitoru a jsou tedy zavřené. Obr. 4.7 ukazuje, že při zvýšení napětí přes 4.2 V začne vlivem nárůstu napětí na referenci TL431 docházet k otevírání Zenerovy diody, což vede k poklesu napětí na bázi zmíněných tranzistorů, a tedy k jejich otevření.

Obr. 4.6: Simulace jednoho stupně balancéru (Vytvořeno v programu Multisim)

4 - v v

27

Obr. 4.7: Simulace jednoho stupně balancéru (Vytvořeno v programu Multisim)

4.2.3 Výstupní měnič napětí

Při výběru výstupního napěťového regulátoru byly hlavními požadavky maximální velikost odebíraného proudu až 2 A, možnost nastavení výstupního napětí na hodnotu okolo 11 V a co nejvyšší efektivita. Po zvážení několika možností byl vybrán integrovaný obvod LMR14020-Q1 [29] od firmy Texas Instruments, jehož schéma zapojení, na kterém lze najít níže popisované součástky, je zachyceno na Obr. 4.8. Tento obvod splňuje všechny požadavky, a navíc disponuje možností nastavení spínací frekvence.

Spínací frekvence je nastavena pomocí rezistoru R25 podle vztahu 4.7 přibližně na 𝑓_𝑆𝑊= 1.5 𝑀𝐻𝑧.

𝑓_𝑆𝑊 = (𝑅25 𝑘Ω 42904)

− 1 1.088

= ( 15 42904)

− 1 1.088

= 1502.6 𝑘𝐻𝑧 4.7 V případě potřeby jiné frekvence je možné nastavení pomocí použitého mikrokontroléru, případně pomocí konektoru J7.

Dalším důležitým parametrem, který bylo třeba určit, je kapacita vstupního kondenzátoru. Tato hodnota byla vypočítána s využitím vztahu 4.8, ve kterém 𝐼 je proud dodávaný kondenzátorem po dobu Δ𝑡, při uvažovaném poklesu napětí o Δ𝑈. Jelikož maximální výstupní proud nepřesahuje 2 A, tak uvažovaný proud v rovnici 4.8 bude z důvodu poměrně vysoké účinnosti ještě menší. Navíc jsou na vstupu 2 paralelně spojené kondenzátory s kapacitou 4.7 µ𝐹 a celková vstupní kapacita je potom 9.4 µ𝐹. Změna napětí na vstupu, která by mohla rušit okolní obvody, je tedy značně menší.

𝐶_𝐼𝑁=𝐼 · Δ𝑡

Δ𝑈 = 2 𝐴 · 1 1.5 𝑀𝐻𝑧

150 𝑚𝑉 ≐ 8.88 µ𝐹 4.8

Podobným způsobem byla určena i kapacita výstupního kondenzátoru. Z důvodu požadavku co nejmenšího zvlnění, rozumné ceny a teplotní stability jsou na výstupu 3 paralelně spojené kondenzátory s kapacitou 22 µ𝐹 s dielektrikem X7R a nízkou hodnotou ESR¹¹.

11 Equivalent series resistance

4 - v v

28

Navíc je za výstupním kondenzátorem přítomný LC filtr, který díky dostatečně vzdálené rezonanční frekvenci od pracovní frekvence regulátoru také potlačuje zvlnění a zajišťuje tak kvalitu výstupního napětí. Výpočet LC filtru je popsán v rovnici 4.9.

𝑓_{𝑟𝑒𝑧𝑜𝑛𝑎𝑛č𝑛í}= 1

2𝜋√𝐿𝐶 = 1

2𝜋 √10 µ𝐻 · 22 µ𝐹= 10.730 𝑘𝐻𝑧 4.9 Dále bylo při návrhu zapojení využito ochrany proti podpětí, což je učiněno pomocí rezistorů R21 a R22 podle vztahu 4.10

𝑈_𝐸𝑁= 𝑈_𝑉𝐼𝑁 𝑅22

𝑅21 + 𝑅22= 10 𝑉 100 kΩ

100 kΩ + 732 kΩ≐1.2 V, 4.10 kde 𝑈_𝑉𝐼𝑁 je napětí článků případně připojeného adaptéru a 𝑈𝐸𝑁 napětí určující, zda je integrovaný obvod v provozu. Napěťový regulátor spíná pouze při napětí 𝑈_𝐸𝑁 vyšším než 1.2 V a při poklesu 𝑈_𝑉𝐼𝑁 pod 10 V se sám vypne. Také je možné jej vypnout tranzistorem Q22, který při otevření „uzemní“ pin EN.

Indukčnost cívky byla určena podle vztahu 4.11, kde největší minimální indukčnost při uvažování i případných napěťových špiček do 𝑈_{𝐼𝑁 𝑀𝐴𝑋}= 24 V pro výstupní napětí 𝑈_𝑂𝑈𝑇 = 11.5 vychází 𝐿_𝑀𝐼𝑁 = 6.7 µ𝐻.

𝐿_𝑀𝐼𝑁 =𝑈_{𝐼𝑁 𝑀𝐴𝑋}− 𝑈_𝑂𝑈𝑇

𝐼_𝑂𝑈𝑇· 0.4 · 𝑈_𝑂𝑈𝑇

𝑈_{𝐼𝑁 𝑀𝐴𝑋}· 𝑓_𝑆𝑊 =24 − 11.5

2 · 0.3 · 11.5

24 · 1.5 𝑀𝐻𝑧= 6.7 µ𝐻 4.11 Aby bylo možné využívat i nižších frekvencí, byla zvolena cívka s indukčností 10 µ𝐻. Tato indukčnost dovoluje snížit frekvenci až na 1 MHz. Pokud by bylo potřeba snížit spínací frekvenci pod 1 MHz, je nutné indukčnost cívky zvýšit.

Výstupní napětí je nastaveno podle vztahu

𝑈𝑂𝑈𝑇= 0.75 ·𝑅26 + 𝑅_𝑋

𝑅_𝑋 , 4.12

kde 𝑅_𝑋 představuje rezistor R27 nebo s ním paralelně spojený jeden z rezistorů R28, R30, R32, které lze využít otevřením tranzistorů Q3, Q6 či Q7.

Rovnice 4.13 až 4.16 ukazují hodnoty výstupního napětí pro použité kombinace paralelně spojených rezistorů.

𝑈_{3.3 𝑉} = 0.75 ·𝑅26 + 𝑅27

𝑅27 ≐ 3.3 𝑉 4.13

𝑈_{5 𝑉}= 0.75 · 𝑅26 + 𝑅27 · 𝑅28 𝑅27 + 𝑅28 𝑅27 · 𝑅28 𝑅27 + 𝑅28

≐ 5 𝑉 4.14

𝑈_{9 𝑉}= 0.75 · 𝑅26 + 𝑅27 · 𝑅30 𝑅27 + 𝑅30 𝑅27 · 𝑅30 𝑅27 + 𝑅30

≐ 9 𝑉 4.15

𝑈_{11.5 𝑉}= 0.75 · 𝑅26 + 𝑅27 · 𝑅32 𝑅27 + 𝑅32 𝑅27 · 𝑅32 𝑅27 + 𝑅32

≈ 11.5 V ^4.16

4 - v v

29

Obr. 4.8: Schéma výstupního napěťového regulátoru

4.2.4 Interní měnič napětí

Interní měnič napětí má za úkol zajistit napájení použitého mikrokontroléru a jeho periférií pomocí napětí 3.3 V. Mohl by se použít pouze lineární napěťový stabilizátor, protože potřebný proud by měl být přibližně 50 mA, ale z důvodu co největší účinnosti byl použit spínaný stabilizátor MAX5033, který dosahuje efektivity až 94 % [30]. Jeho schéma zapojení je uvedeno na Obr. 4.9.

Podle datasheetu byla zvolena cívka s indukčností 150 µH, Schottkyho dioda, vstupní kondenzátor s kapacitou 100 µF a výstupní kondenzátor s kapacitou 47 µF. Pro lepší funkčnost byly přidány keramické kondenzátory s kapacitou 10 µF ke vstupnímu i výstupnímu elektrolytickému kondenzátoru.

I u tohoto regulátoru je využito ochrany proti podpětí. K vypnutí dojde při poklesu napětí 𝑈_{𝑂𝑁/𝑂𝐹𝐹} pod 1.69 V. Podle vztahu 4.17 jsou určeny hodnoty rezistorů R23 = 1 MΩ a R24 = 200 kΩ, díky kterým obvod přestane spínat přibližně při napětí nižším než 10.15 V.

𝑈𝑂𝑁/𝑂𝐹𝐹 = 𝑈𝑉𝐼𝑁

𝑅24

𝑅24 + 𝑅23= 10.15 𝑉 · 200 kΩ

200 kΩ + 1 MΩ≐1.69 V 4.17

Obr. 4.9: Schéma vnitřního napěťového regulátoru

4 - v v

30

4.2.5 Řídící mikrokontrolér

Při volbě řídícího mikrokontroléru byly hlavními požadavky nízká spotřeba, přijatelná cena a dostatečný počet pinů. To splňují 32-bitové mikrokontroléry ARM od firmy STMicroelectronics řady L4.

Dostatečně vybaveným mikrokontrolérem pro popisované zařízení z této řady je STM32L433CCT6.

Účely jednotlivých pinů jsou popsány v tabulkách Tab. 4.1 až Tab. 4.4.

Ke správné funkčnosti mikrokontroléru jsou u jeho napájecích pinů umístěny blokovací kondenzátory, které dodají potřebnou energii v krátké době. Mezi napájením digitální a analogové části mikrokontroléru je umístěna feritová perla, která spolu s blokovacím kondenzátorem zajišťuje stabilní napájení pro analogovou část.

Dále jsou k integrovanému obvodu připojeny 2 krystaly. Jeden s frekvencí 8 MHz, který zajišťuje ve srovnání s RC oscilátorem uvnitř mikrokontroléru přesnou taktovací frekvenci. Druhý krystal s frekvencí 2¹⁵ 𝐻𝑧 = 32.768 kHz zajišťuje frekvenci pro hodiny reálného času.

Pro funkčnost hodin reálného času i bez připojeného napájení umožňuje mikrokontrolér připojení externí baterie, čehož bylo v tomto projektu také využito. K baterii je připojen kondenzátor pro případ špatného kontaktu baterie s konektory.

Pomocí rezistoru R18 je mikrokontrolér nakonfigurován tak, aby vykonávané instrukce četl ze své flash paměti [31].

Analogové vstupy

Pin mikrokontroléru Název ve schématu Funkce

PA0 PA0-ADC_4P

Měří napětí 4. článku 1.446 V: vybitý článek 2.024 V: nabitý článek

PA1 PA1-ADC_3P

Měří napětí 3. článku 1.418 V: vybitý článek 1.985 V: nabitý článek

PA2 PA2-ADC_2P

Měří napětí 2. článku 1.416 V: vybitý článek 1.983 V: nabitý článek

PA3 PA3-ADC_1P

Měří napětí 1. článku 1.428 V: vybitý článek 2.000 V: nabitý článek

PA4 PA4-ADC_NTC1 Měří teplotu akumulátoru

Beta faktor: 3977 𝐾

PA5 PA5-ADC_NTC2 Měří teplotu balancéru

Beta faktor: 3977 𝐾 PA6 PA6-ADC_Adapter_Voltage

Měří napětí adaptéru 0 V: odpojený adaptér 1.825V: příliš vysoké napětí PA7 PA7-ADC_Charger-PROG

Měří napětí určující nabíjecí proud 1.2085 V: nabíjecí proud 2 A / 0.2 A

0 V: nabíjecí proud 0 A PB0 PB0-ADC_CS+, PB0-ADC_CS-

Měří napětí určující vybíjecí proud 1.98 V: vybíjecí proud 3 A

0 V: vybíjecí proud 0 A

Tab. 4.1: Seznam analogových vstupů použitého mikrokontroléru

4 - v v

31 Digitální vstupy

Pin mikrokontroléru Název ve schématu Funkce

PA15 PA15-GPI_Button0

Říká stav tlačítka 1 L: tlačítko je stisknuté H: tlačítko není stisknuté

PB1 PB1-GPI_Button1

Říká stav tlačítka 2 L: tlačítko je stisknuté H: tlačítko není stisknuté

PB2 PB2-GPI_Button2

Říká stav tlačítka 3 L: tlačítko je stisknuté H: tlačítko není stisknuté

PB8 PB8-GPI_Charger-nICL

Říka, zda je nabíjecí proud dostatečně velký L: adaptér neposkytuje dostatečně velký proud

H: adaptér poskytuje dostatečně velký proud

Tab. 4.2: Seznam digitálních vstupů použitého mikrokontroléru

Digitální výstupy

Pin mikrokontroléru Název ve schématu Funkce

PA8 PA8-GPO_LCD-CS0

Zapíná komunikaci s LCD L: komunikace s LCD je aktivní H: komunikace s LCD není aktivní

PA9 PA9-GPO_LCD-RST

Resetuje LCD L: reset je aktivní H: reset není aktivní

PA10 PA10-GPO_LCD-CD

Přepíná mezi daty a intrukcemi pro LCD L: vysílají se instrukce

H: vysílají se data

PA11 PA11-GPO_BuckC-Enable

Zapíná výstupní napěťový regulátoru L: výstupní napěťový regulátor je zapnutý H: výstupní napěťový regulátor je vypnutý PA12 PA12-GPO_Power-FET-HoldON

Udrží zařízení v zapnutém stavu L: Zařízení se vypne H: Zařízení zůstane v zapnutém stavu

PB3 PB3-GPO_BuckC-5V

Nastavuje výstupní napětí na 5 V L: neovlivní výstupní napěťový regulátor H: nastaví napětí výstupního regulátoru na 5 V

PB4 PB4-GPO_BuckC-9V

Nastavuje výstupní napětí na 9 V L: neovlivní výstupní napěťový regulátor H: nastaví napětí výstupního regulátoru na 9 V

PB5 PB5-GPO_BuckC-11.5V

Nastavuje výstupní napětí na 11.5 V L: neovlivní výstupní napěťový regulátor H: nastaví napětí výstupního regulátoru na 11.5 V PB7 PB7-GPO_Charger-FET-BULK

Přepíná mezi nabíjecími režimy L: maximální nabíjecí proud je 0.2 A

H: maximální nabíjecí proud je 2 A

PB9 PB9-GPO_Charger-nSHDN

Vypíná nabíjecí obvod L: nabíjecí obvod se vypne H: nabíjecí obvod zůstane zapnutý PB12 PB12-GPO_IoT-Fet-Enable

Zapíná modul IoT L: modul IoT je zapnutý H: modul IoT je vypnutý

PB14 PB14-GPO_LCD-Backlight

Zapíná podsvícení LCD L: podsvícení je vypnuté H: podsvícení je zapnuté

Tab. 4.3: Seznam digitálních výstupů použitého mikrokontroléru

4 - v v

32 Ostatní piny

Pin mikrokontroléru Název ve schématu Funkce

PA13 PA13-SWDIO Slouží k programování mikrokontroléru

PA14 PA14-SWCLK Slouží k programování mikrokontroléru

PB6 PB6-Timer_SYNC Nastavuje frekvenci výstupního napěťového regulátoru PB10 PB10-USART3-TX_IoT Slouží ke komunikaci s modulem IoT PB11 PB11-USART3-RX_IoT Slouží ke komunikaci s modulem IoT

PB13 PB13-SPI2-SCK_LCD Slouží ke komunikaci s LCD

PB15 PB15-SPI2-MOSI_LCD Slouží ke komunikaci s LCD

Tab. 4.4: Seznam ostatních pinů použitého mikrokontroléru

4.2.5.1 Měření napětí na jednotlivých článcích

Jak již bylo zmíněno, k obsluhování Lithium-Iontových baterií je třeba měřit jejich napětí. K měření napětí na všech čtyřech článcích bylo využito odporových děličů, pomocí kterých je napětí sníženo na bezpečnou hodnotu, kterou lze pomocí AD převodníku měřit. Hodnoty odporů děliče byly zvoleny podle vztahu 4.18 tak, aby výstupní napětí při nabitých článcích bylo okolo 2 V. Na Obr. 4.10 je pro názornost uvedeno jejich zapojení.

𝑈_𝑂𝑈𝑇 = 𝑅₂

𝑅₁+ 𝑅₂· 𝑈_𝐼𝑁, 4.18

Rezistoru 𝑅₁ odpovídají ve schématu zapojení na Obr. 4.11 rezistory R55, R57, R59, R61 a rezistoru 𝑅₂ odpovídají R56, R58, R60, R62. Vztah mezi snímaným napětím, jeho rozlišením a napětím článků zachycuje Tab. 4.5.

Obr. 4.10: Schéma napěťového děliče

Reálné napětí

Snímané napětí odpovídající vybitému článku (3 V)

Snímané napětí odpovídající nabitému článku (4.2 V)

Rozlišení snímaného

napětí

1. článek 3 V – 4.2 V 1.446 V 2.024 V 1.2 mV/dílek

2. článek 6 V – 8.4 V 1.418 V 1.985 V 0.8 mV/dílek

3. článek 9 V – 12.6 V 1.416 V 1.983 V 0.6 mV/dílek

4. článek 12 V – 16.8 V 1.428 V 2.000 V 0.3 mV/dílek

Tab. 4.5: Vztah mezi snímaným napětím, rozlišením a napětím článků Rozlišení je dáno podle vztahu 4.19.

𝑟𝑜𝑧𝑙𝑖š𝑒𝑛í =𝑈_{𝐼𝑁 𝑀𝐴𝑋} − 𝑈_{𝐼𝑁 𝑀𝐼𝑁} 2¹²

4.19

4 - v v

33 Tedy například pro první článek je výpočet

𝑟𝑜𝑧𝑙𝑖š𝑒𝑛í_1𝑃 =𝑈_{𝐼𝑁 𝑀𝐴𝑋} − 𝑈_{𝐼𝑁 𝑀𝐼𝑁}

2¹² =4.2 𝑉 − 3 𝑉

4096 ≐ 0.3 𝑚𝑉. 4.20 U odporových děličů (Obr. 4.11) jsou přítomny i další součástky. Kondenzátory C33, C34, C35 a C36 slouží k udržení výstupního napětí děliče, jelikož zatížení AD převodníkem by mělo za následek pokles napětí na děliči. Důvodem použití tranzistorů Q17, Q19 a Q20 je, aby zabránily zapínání mikrokontroléru a zbytečnému vybíjení článků, pokud je zařízení vypnuté. Jak je ukázáno na Obr. 4.12, uvnitř mikrokontroléru jsou ochranné diody a skrze diodu mezi snímacím pinem a napájením by mohlo dojít k nechtěnému zapínutí mikrokontroléru. Naznačený spínač (ve schématu Q2) mezi piny 4P_Power a Enable_Sense ukazuje možnost vypnutí měření napětí na článcích. Pokud je tento spínač sepnutý a není připojený adaptér, je na pinu Enable sense napětí článků. Tranzistory Q17, Q19, Q20 jsou v tomto případě zapnuté a je možné měřit napětí na článcích. Pokud je však připojený adaptér, pak navzdory naznačenému spínači je napětí na pinu Enable sense rovno napětí adaptéru. Protože by napětí adaptéru mohlo dosahovat nebezpečného napětí pro tranzistor Q17, je zde přítomna Zenerova dioda D1.

Obr. 4.11: Schéma zapojení obvodu měřícího napětí článků

Obr. 4.12: Typické zapojení využívající analogově digitálního převodníku (Převzato z [32])

4 - v v

34

4.2.5.2 Měření proudu

Hodnotu nabíjecího proudu mikrokontrolér zjišťuje přímo od nabíjecího obvodu. Podle doporučení z datasheetu je použit napěťový sledovač, díky kterému je funkce nabíjecího obvodu minimálně ovlivňována. K realizaci napěťového sledovače jsem využil operační zesilovač od firmy Microchip MCP6001 [33]. Pro přesnější měření je umístěn v blízkosti mikrokontroléru kondenzátor. Pokud by byl kondenzátor vybitý, měl by operační zesilovač snahu dobít jej vysokým proudem, a tak je proud omezen rezistorem 1 kΩ.

Vybíjecí proud je měřen s pomocí integrovaného obvodu INA181A1. Uvnitř je zapojení s operačním zesilovačem, které 20× zvětší vstupní napětí. K převedení proudu na napětí je využito měření úbytku napětí na rezistoru R8 s odporem 33 mΩ. Proudu 2 A odpovídá napětí 2 𝐴 · 0.033 Ω · 20 = 1.32 𝑉 [34].

4.2.6 LCD

Zobrazovacím prvkem byl zvolen nízkopříkonový grafický displej od firmy Electronic Assembly DOGS102 s rozlišením 102x64 pixelů. Displej je ovládán pomocí řadiče UC1701, se kterým lze komunikovat po sběrnici SPI. Displej je napájen 3.3 V a jeho spotřeba se pohybuje okolo 250 uA [35].

K LCD je externě připojeno podsvícení, které je rovněž napájeno 3.3 V. Spotřeba podsvícení je pomocí rezistoru R15 nastavena na 33 mA, jak je ukázáno na vztahu 4.21. Jeho zapojení je znázorněno na Obr. 4.13. O práci s tímto displejem pojednává kapitola 6.

𝐼_𝐿𝐶𝐷 =𝑉_𝑅𝐸𝐹− 𝑈_𝐿𝐸𝐷− 𝑈_{𝑡𝑟𝑎𝑛}

𝑅15 =3.3 𝑉 − 2.2 𝑉 − 0.2 𝑉

27 Ω ≐ 33 𝑚𝐴 4.21

Obr. 4.13: Schéma zapojení displeje

4.2.7 IoT

K připojení externího modulu zajišťujícího komunikaci slouží konektor J5. Aby bylo možné použití i jiného modulu než nízkopříkonového, je v blízkosti tohoto konektoru kondenzátor C4 s kapacitou 10 µF a nízkou hodnotou ESR. Tranzistor Q4 umožňuje podle potřeby modul vypnout či zapnout. Zapojení je uvedeno na Obr. 4.14.

4 - v v

35

Obr. 4.14: Schéma zapojení konektoru pro IoT modul

4.2.8 Měření teploty

Při nabíjení článků a jejich používání je důležité, abychom znali jejich teplotu. Díky této znalosti můžeme v případě nějakého problému zajistit jejich včasné odpojení, případně vypnutí nabíjecího obvodu a zabránit tak možným problémům.

Dále je měřena teplota chladiče výkonových tranzistorů balancéru. Případ jeho vysoké teploty poukazuje na velké rozdíly sériově připojených článků.

Pro tyto účely byly zvoleny měřícími prvky NTC termistory s odporem 10 𝑘Ω a beta faktorem 3977 𝐾.

Jejich zapojení je uvedeno na obrázku Obr. 4.15

Obr. 4.15: Schéma zapojení měření teploty